Name: Vlakke en Three-Dimensional Printing van geleidende inkten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-09T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Leer vlakke en driedimensionale printtechnieken voor geleidende micro-elektroden met directe schrijf-assemblage. Deze methode maakt complexe structuren voor elektronische en biomedische toepassingen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit materiaal is gebaseerd op het werk ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Materials Sciences and Engineering Division (Award No DEFG-02-07ER46471) en de DOE Energy Research Center op Light-materialen Interacties in Energy Conversion (Award No DE-SC0001293 ) en profiteerde van de toegang tot het Centrum voor Microanalyse van materialen binnen de Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).

1. Introductie <ol><li> Deze paper toont de 1D, 2D-en 3D-printen van geleidende micro-elektroden via directe-write montage. </li><li> Directe-write assemblage is een methode voor het opbouwen van 1D-to-3D-structuren gedrukt door de afzetting van geconcentreerde inkt door middel van fijne sproeiers. </li><li> Ons systeem bestaat uit een computer-gestuurde 3-assige vertaling stadium een ​​inktreservoir en nozzle, en 10x telescopische lens voor beeldvorming (figuur 1). </li><li> Directe-write assemblage is een draadvormig drukkerij aanpak waarbij geconcentreerde inkt geëxtrudeerd worden door middel van cilindrische nozzles, waarvan een diameter van 0,1 tot 250 pm (Figuur 2). Met name als gevolg van de visco-elastische eigenschappen inkt, direct-write montage mogelijk self-supporting spanning functies (figuur 3). Tot op heden hebben een breed scala van inkten, waaronder die bestaat uit keramische 6,7, organisch 8-10, metallic 11-15, polymere 16,17, en de sol-gel 18,19 materialen zijnontwikkeld voor deze afdrukken benadering (figuur 4). </li></ol> 2. De voorbereiding van sterk geconcentreerde zilveren nanodeeltjes inkten <ol><li> Zilveren nanodeeltjes inkten worden bereid door eerst op te lossen een mix van 5000 en 50.000 moleculair gewicht van poly (acrylzuur) in een mengsel van 50 g water en 40 g diethanolamine (Video 2.1). </li><li> Het polymeer werkt als een aftopping agent om de grootte van de zilveren nanodeeltjes. </li><li> Vervolgens wordt een waterige oplossing van zilvernitraat geïnjecteerd in de polymeeroplossing. Na toevoeging, is een lichtgele transparante oplossing verkregen (Video 2.2). </li><li> Na roeren gedurende 24 uur bij kamertemperatuur, de oplossing ontwikkelt een rood-bruine kleur (Video 2.3), die samenvalt met de vorming van zilveren nanodeeltjes van 5 nm diameter, zoals bepaald door de transmissie-elektronenmicroscopie. </li><li> Vervolgens wordt de oplossing gesoniceerd bij 65 ° C in een waterbad gedurende 2 uur voor de verdere groei van deeltjes (Video 2.4). </li><li> After sonicatie, is de oplossing overgebracht naar een bekerglas van 500 ml en afgekoeld tot kamertemperatuur. Vervolgens wordt 300 ml ethanol getitreerd met een snelheid van 30 ml / min. Omdat ethanol is een slecht oplosmiddel voor de poly (acrylzuur) aftopping agent, de deeltjes snel coaguleren en precipitatie van (video 2.5). </li><li> Na decanteren het supernatant wordt het neerslag verzameld in een centrifugebuis en gecentrifugeerd bij 9000 rpm gedurende 20 minuten (Video 2.6). </li><li> Na deze stap, is een zeer geconcentreerde zilveren nanodeeltjes inkt met een vaste belasting van ~ 85 gew% behaald (Video 2.7). </li><li> Verdere controle over de inkt viscositeit en de elasticiteitsmodulus kan worden bereikt door verdunning, gevolgd door homogenisering. Voor een voorbeeld, kan een bevochtigingsmiddel oplossing, zoals ethyleenglycol, worden toegevoegd aan de inkt en vervolgens gehomogeniseerd bij 2000 rpm gedurende 3 minuten met een mixer Thinky homogenisering. Na dit proces, is een uniform inkt van een blauwachtige kleur magenta te bekomen (Video 2.8). </li><li> De TEM-afbeelding toontzilveren nanodeeltjes verkregen door deze synthese procedure (Figuur 5_left). De deeltjes hebben een gemiddelde diameter van 20 nm, met een grootte-verdeling van 5-50 nm. Gedrukt structuren vereisen na-gloeien om hun geleidbaarheid te verbeteren. Na gloeien bij 250 ° C voor minder dan 30 min, de zilveren nanodeeltjes vormen geleidende micro-elektroden met een elektrische weerstand naderen tot 10 -5 Ω • cm (Figuur 5_bottom rechts). De microstructurele evolutie van de gedrukte zilver micro-elektroden als een functie van de annealing temperatuur is weergegeven in figuur 5_top rechts. Als de temperatuur stijgt van 150 ° tot 550 ° C, de micro-elektroden ondergaan verdichting met een totaal volumetrische krimp van ~ 30%. 11 </li><li> De inkt reologie, die sterk afhankelijk van de vaste stoffen laden, bepaalt de bedrukbaarheid. De inkt viscositeit toeneemt met het aantal vaste stoffen laden (figuur 6). Omdat verdunnen inkten met een lage viscositeit resulteren in een significante zijwaartse verspreiden, Concentrated inkten met een vaste laad-variërend van 70 tot 85 gew% zijn nodig voor het afdrukken van vlakke en verspreid over inkt filamenten. </li><li> De inkt elasticiteitsmodulus toeneemt met het aantal vaste stoffen laden (figuur 7). In de lineaire visco-elastische regio, de elastische modulus stijgt bijna drie ordes van grootte als de vaste stoffen laden stijgt 60 tot 75 gew%. Een minimum elasticiteitsmodulus van 2000 Pa is vereist om zelfdragende of spanning eigenschappen te produceren. </li></ol> 3. Directe-write assemblage <ol><li> Directe schrijf montage is uitgevoerd door eerst het laden van de inkt in een spuit. Na het aanbrengen van een afzetting mondstuk, is de inkt-geladen spuit gemonteerd op de 3-assige afdrukken stadium (video 3.1). </li><li> Met behulp van een computerprogramma, willekeurige ontwerpen, waaronder lineaire, vlakke, en complexe driedimensionale structuren kan eenvoudig worden gegenereerd (Video 3.2). </li><li> Vervolgens wordt de nozzle hoogte aangepast met behulp van de telescoop lens met een 10x zoom (Video 3.3). </li&gt; <li> Na het toepassen van druk met behulp van een lucht-aangedreven vloeistof doseersysteem, is de inkt afgezet op het substraat met een gecontroleerde afdruksnelheid (Video 3.4). De benodigde druk is afhankelijk van inkt reologie, nozzlediameter en afdrukken van snelheid, maar typische waarden variëren 10 tot 100 psi bij 20 tot 500 um / s. Deze drukkerij is uitgevoerd in lucht bij kamertemperatuur. Met behulp van deze afdrukken procedure, wordt het afdrukken van zilveren micro-elektroden in verschillende lay-outs en schalen aangetoond. </li><li> Voor een voorbeeld, wordt het afdrukken van geleidende zilveren roosters met een hart-op-hart regelafstand van 100 micrometer, patroon door een 5-um mondstuk op een silicium wafer substraat aangetoond (video 3.5). </li><li> Daarnaast, deze video laat zien hoe een hoge aspect ratio cilindrische structuur te creëren door een 30-um nozzle met behulp van een laag-voor-layer printen methode (video 3.6). </li><li> Bovendien is de omnidirectionele printen van zilver micro-elektroden tussen twee glazen substraten gecompenseerd door een 1-mm hoogte difference wordt aangetoond met behulp van een 30-um nozzle (Video 3.7). </li><li> Volledig vrijstaand, kan verticaal afgedrukt zilver microspikes gecreëerd worden door een 30-um mondstuk op een Si wafer substraat (Video 3.8). </li><li> Tot slot, toont deze video directe schrijven van een spanning zilveren micro-elektrode met behulp van een 10-um nozzle (Video 3.9). De gedrukte functie kan overspanning afstanden tot een centimeter met een minimum aan hangende of knikken. </li></ol> 4. Representatieve resultaten: Wij bereid een sterk geconcentreerde zilveren nanodeeltjes inkten en gedemonstreerd gedrukt geleidende eigenschappen in vlakke en 3D motieven voor elektronische en opto-elektronische toepassingen met afdrukresolutie ~ 2-30 micrometer. Voor een voorbeeld, Figuur 8 toont de afdrukresolutie van deze techniek. Gedrukte functies met een minimum breedte van de elektrode ~ 2 micrometer (1,4 micrometer dik) zijn verkregen in een werkgang met een 1-um mondstuk 11. Figuur 9 tonens transparante geleidende zilveren roosters, patroon door een 5 um spuitmond op een flexibele polyimide film 12. De teksten onder de gedrukte roosters zijn duidelijk zichtbaar. Deze transparante zilveren roosters kan worden aantrekkelijke alternatieven voor transparante geleidende oxide (TCO) materialen. Conforme printen op een niet-vlakke ondergrond wordt mede mogelijk gemaakt door deze methode. Figuur 10 toont de conforme printen van een 3D-elektrisch kleine antenne. Een 100 um metalen nozzle wordt gebruikt om de meander-line patroon af te drukken op het oppervlak van een glas halfrond 13. Deze aanpak kan u diverse toepassingen, zoals implanteerbare en draagbare antennes, elektronica en sensoren. Toepassingen van spanning zilveren micro-elektroden in drie-dimensionale fotovoltaïsche en light-emitting diodes zijn aangetoond (figuur 11-14). De eerste, Figuur 11 is een voorbeeld van silicium bolvormige schaal. Dit vaag film met een 2-um thickness kunnen wire-gebonden aan een extern circuit door omnidirectionele afdrukken 14. Deze methode maakt gebruik van minimaal contact druk, die is zeer voordelig voor gevoelige apparaten. Vervolgens Figuur 12 toont een voorbeeld van het afdrukken van een spanning interconnect voor een silicium zonnecellen microcell array waarin silicium microribbon elementen worden gescheiden door 33-um kloof 15. Vervolgens Figuur 13 toont zilveren interconnects voor de galliumarsenide-gebaseerde LED-array met 4-door-4 pixels, waarbij elke pixel (500 x 500 x 2,5 micrometer 3) is 200 micrometer uit elkaar 11 uit elkaar. De onderste afbeelding toont de LED-array, uitzenden uniform rood licht onder een toegepaste bias van 6 V van een enkele pixel. De mogelijkheid om spanning af te drukken elektroden in staat stelt meerdere lagen interconnectie zonder het gebruik van ondersteunende of offer lagen (top beelden). Als laatste demonstratie, figuur 14 toont SEM beelden voor de complexe 3D-microfoonroperiodic zilveren rooster gedrukt door een 5 urn mondstuk. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" /> Figuur 1. Optische beeld van de directe inkt schrijven apparatuur. <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" /> Figuur 2. Direct inkt schrijven van een filamentaire functie. <img alt="Figuur 3" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" /> Figuur 3. Directe inkt schrijven van self-supporting spanning functies. <img alt="Figuur 4" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" /> Figuur 4. Inkt ontwerpen voor directe inkt schrijven. Een breed scala van geconcentreerde visco-elastische inkten zijn ontwikkeld voor direct writing van vlakke en complexe 3D-structuren met microschaal functies. <img alt="Figuur 5" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" /> Figuur 5. (Links) transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) beeld van zilveren nanodeeltjes. (Top rechts) SEM beelden van zilver micro-elektroden patroon met een 15-um mondstuk als een functie van de annealing temperatuur. (Onderaan rechts) Elektrische weerstand van zilveren micro-elektroden als een functie van de annealing temperatuur en tijd. <img alt="Figuur 6" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" /> Figuur 6. Schijnbare viscositeit (η) van de zilveren nanodeeltjes inkten als functie van vaste stoffen laden. <img alt="Figuur 7" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" /> Figuur 7. Shear elastische modulus (G &#39;) als een functie van de shear stress voor zilveren nanodeeltjes inkten van verschillende vaste stoffen laden. <img alt="Figuur 8" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" /> Figuur 8. SEM beelden van vlakke arrays van patroon zilver micro-elektrodenop een Si wafer met een 1-um mondstuk. <img alt="Figuur 9" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" /> Figuur 9. Optische beeld van transparante geleidende zilveren roosters (links) en SEM beelden van de roosters afgedrukt als een functie van de lijn pitch (rechts). <img alt="Figuur 10" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" /> Figuur 10. Optische beeld dat tijdens het conforme afdrukken van elektrisch kleine antennes op een halfronde glazen substraat. <img alt="Figuur 11" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" /> Figuur 11. Optische beeld verkregen tijdens het afdrukken van de spanning zilveren micro-elektroden op een dunne (2-micrometer) silicium bolvormige schaal. <img alt="Figuur 12" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" /> Figuur 12. SEM beeld van een spanning zilveren micro-elektrode gedrukt op een silicium, zodatlar microcell array. <img alt="Figuur 13" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" /> Figuur 13. SEM beelden (boven) en optische beeld (onder) van een 4-door-4 LED-chip reeks met elkaar verbonden door zilveren micro-elektroden. <img alt="Figuur 14" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" /> Figuur 14. SEM beeld van 3D-microperiodic zilver rooster.

<ol><li>Chrisey, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+power+of+direct+writing%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">The power of direct writing.</a> Science. 289, 879-881 (2000).</li>
<li>Sirringhaus, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+inkjet+printing+of+all-polymer+transistor+circuits%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits.</a> Science. 290, 2123-2126 (2000).</li>
<li>Kim, R. -W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Waterproof+AllnGaP+optoelectronics+on+stretchable+substrates+with+applications+in+biomedicine+and+robotics%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Waterproof AllnGaP optoelectronics on stretchable substrates with applications in biomedicine and robotics.</a> Nat. Mater. 9, 929-937 (2010).</li>
<li>Lewis, J. A., Gratson, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+writing+in+three+dimensions%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Today%22%5BJournal%5D)">Direct writing in three dimensions.</a> Mater. Today. 7, 32-39 (2004).</li>
<li>Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+ink+writing+of+3D+functional+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Direct ink writing of 3D functional materials.</a> Adv. Funct. Mater. 16, 2193-2204 (2006).</li>
<li>Lewis, J. A., Smay, J. E., Stuecker, J., Cesarano, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+ink+writing+of+three-dimensional+ceramic+structures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Ceram.+Soc%22%5BJournal%5D)">Direct ink writing of three-dimensional ceramic structures.</a> J. Am. Ceram. Soc. 89, 3599-3609 (2006).</li>
<li>Smay, J. E., Gratson, G. M., Shepherd, R. F., Sesarano, J., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Directed+colloidal+assembly+of+3D+periodic+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Directed colloidal assembly of 3D periodic structures.</a> Adv. Mater. 14, 1279-1283 (2002).</li>
<li>Therriault, D., White, S. R., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chaotic+mixing+in+three-dimensional+microvascular+networks+fabricated+by+direct-write+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly.</a> Nat. Mater. 2, 265-271 (2003).</li>
<li>Hansen, C. J., Wu, W., Toohey, K. S., Sottos, N. R., White, S. R., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-healing+materials+with+interpenetrating+microvascular+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Self-healing materials with interpenetrating microvascular networks.</a> Adv. Mater. 21, 4143-4147 (2009).</li>
<li>Therriault, D., Shepherd, R. F., White, S. R., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fugitive+ink+for+direct-write+assembly+of+three-dimensional+microvascular+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Fugitive ink for direct-write assembly of three-dimensional microvascular networks.</a> Adv. Mater. 17, 395-399 (2005).</li>
<li>Ahn, B. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Omnidirectional+printing+of+flexible%2C+stretchable%2C+and+spanning+silver+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Omnidirectional printing of flexible, stretchable, and spanning silver microelectrodes.</a> Science. 323, 1590-1593 (2009).</li>
<li>Ahn, B. Y., Lorang, D. J., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transparent+conductive+grids+via+direct+writing+of+silver+nanoparticle+inks%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Transparent conductive grids via direct writing of silver nanoparticle inks.</a> Nanoscale. 3, 2700-2702 (2011).</li>
<li>Adams, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conformal+printing+of+electrically+small+antennas+on+three-dimensional+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Conformal printing of electrically small antennas on three-dimensional surfaces.</a> Adv. Mater. 23, 1335-1340 (2011).</li>
<li>Guo, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-+and+three-dimensional+folding+of+thin+film+single-crystalline+silicon+for+photovoltaic+power+applications%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Two- and three-dimensional folding of thin film single-crystalline silicon for photovoltaic power applications.</a> PNAS. 106, 20149-20154 (2009).</li>
<li>Yoon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrathin+silicon+solar+microcells+for+semitransparent%2C+mechanically+flexible+and+microconcentrator+module+designs%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs.</a> Nat. Mater. 7, 907-915 (2008).</li>
<li>Gratson, G. M., Xu, M., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+writing+of+three-dimensional+webs%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Direct writing of three-dimensional webs.</a> Nature. 428, 386-386 (2004).</li>
<li>Lebel, L. L., Aissa, B., Khakani, M. A. E., Therriault, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultraviolet-assisted+direct-write+fabrication+of+carbon+nanotube%2Fpolymer+nanocomposite+microcoils%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Ultraviolet-assisted direct-write fabrication of carbon nanotube/polymer nanocomposite microcoils.</a> Adv. Mater. 22, 592-596 (2010).</li>
<li>Ahn, B. Y., Lorang, D. J., Duoss, E. B., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-write+assembly+of+microperiodic+planar+and+spanning+ITO+microelectrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Commun%22%5BJournal%5D)">Direct-write assembly of microperiodic planar and spanning ITO microelectrodes.</a> Chem. Commun. 46, 7118-7120 (2010).</li>
<li>Duoss, E. B., Twardowski, M., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sol-gel+inks+for+direct-write+assembly+of+functional+oxides%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Sol-gel inks for direct-write assembly of functional oxides.</a> Adv. Mater. 19, 3485-3489 (2007).</li>
<li>Salaita, K., Wang, Y. H., Mirkin, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+dip-pen+nanotechnology%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotech%22%5BJournal%5D)">Application of dip-pen nanotechnology.</a> Nat. Nanotech. 2, 145-155 (2007).</li>
<li>Zhang, H., Lee, K. -B., Li, Z., Mirkin, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biofunctionalized+nanoarrays+of+inorganic+structures+prepared+by+dip-pen+nanolithography%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Biofunctionalized nanoarrays of inorganic structures prepared by dip-pen nanolithography.</a> Nanotechnology. 14, 1113-1117 (2003).</li>
<li>Hung, S. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dip-pen+nanolithography+of+conductive+silver+traces%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Dip-pen nanolithography of conductive silver traces.</a> J. Phys. Chem. C. 114, 9672-9677 (2010).</li>
<li>Park, J. -U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+electrohydrodynamic+jet+printing%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">High-resolution electrohydrodynamic jet printing.</a> Nat. Mater. 6, 782-789 (2007).</li>
<li>Schirmer, N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+ejecting+colloids+against+capillarity+from+sub-micrometer+openings%3A+On-demand+dielectrophoretic+nanoprinting%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">On ejecting colloids against capillarity from sub-micrometer openings: On-demand dielectrophoretic nanoprinting.</a> Adv. Mater. 22, 4701-4705 (2010).</li>
<li>Park, J. -U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((electrofield+liquid+jets+for+high-resolution+printing+of+charge%5BTitle%5D)+AND+%22Nano.+Lett%22%5BJournal%5D)">electrofield liquid jets for high-resolution printing of charge.</a> Nano. Lett. 10, 584-591 (2010).</li>
<li>Ghosh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-write+assembly+of+micro-periodic+silk+fibroin+scaffolds+for+tissue+engineering+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Direct-write assembly of micro-periodic silk fibroin scaffolds for tissue engineering applications.</a> Adv. Funct. Mater. 18, 1883-1889 (2008).</li>
<li>Barry, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-write+assembly+of+3D+hydrogel+scaffolds+for+guided+cell+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Direct-write assembly of 3D hydrogel scaffolds for guided cell growth.</a> Adv. Mater. 21, 2407-2410 (2009).</li>
<li>Shepherd, J. N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+microperiodic+hydrogel+scaffolds+for+robust+neuronal+cultures%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">3D microperiodic hydrogel scaffolds for robust neuronal cultures.</a> Adv. Mater. 21, 47-54 (2011).</li>
<li>Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-write+assembly+of+biomimetic+microvascular+networks+for+efficient+fluid+transport%5BTitle%5D)+AND+%22Soft.+Matter%22%5BJournal%5D)">Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport.</a> Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).</li>
<li>Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Omnidirectional+Printing+of+3D+Microvascular+Networks%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks.</a> Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).</li>
</ol>

Geen belangenconflicten verklaard.

Conventionele druppel-gebaseerd printen benaderingen, zoals inkjet printen, zijn beperkt tot de fabricage van vlakke elektroden met een lage aspect ratio als gevolg van de verdunde karakter en de lage viscositeit van de gebruikte inkten. Recent zijn dip-pen nanolithografie (DPN) 20-22 en e-jet printen 23-25 ​​werd gebruikt om het patroon geleidende eigenschappen. Deze routes ook gebruik te verdunnen, te lage viscositeit inkten. Pearton en collega&#39;s gebruikt DPN om een commercieel verkrijgbare zilveren nanodeeltjes inkt deponeren bij schrijfsnelheden tot 1600 micrometer s -1 en lijn breedte van ongeveer 0,5 um 22. Echter, fabricage van reproduceerbare patronen over grote gebieden moet nog worden aangetoond door deze aanpak. Zilveren nanodeeltjes inkten zijn ook gedeponeerd per e-jet printen naar geleidende sporen te vormen met lijndikte van ~ 1,5 um 25. Echter, zoals met inkjet printen, kan niet-homogene gedrukte functies ontstaan ​​als gevolg van satelliet druppelvorming en niet-uniforme neerzetten drying 24,25. Zoals aangetoond boven, direct-schrijven assemblage van geconcentreerde zilveren nanodeeltjes inkt overwint deze beperkingen door middel van een continuvezelmateriaal-gebaseerd printen aanpak. Deze techniek maakt het mogelijk fabricage van geleidende micro-elektroden met een hoge aspect ratio&#39;s (h / w ≈ 1,0) in een enkele passeert waardoor de creatie van 1D, 2D en 3D architecturen. De grootte van de gedrukte functies hangt af van nozzlediameter, inkt vaste stoffen laden, uitgeoefende druk, en de afdruksnelheid. Tot op heden, geleidende sporen zo klein als ~ 2 micrometer zijn patroon met behulp van een 1 micrometer mondstuk op een bescheiden snelheden (&lt;2 mm s -1). Door het afstemmen van de inktsamenstelling en nozzle geometrie, de maximale afdruksnelheid van meer dan 10 cm s -1 mogelijk. Echter, met hoge snelheid afdrukken van het gebruik van fijne sproeiers (&lt;5 micrometer) blijft een belangrijke uitdaging. Om aan te tonen toepassingen van direct-write assemblage, we verzonnen geleidende rasters, electrically kleine antennes, zonnecellen en light-emitting diodes met een vlakke en verspreid over gedrukte elektroden (zie figuur 8-14). Met name, is onze aanpak niet beperkt tot de creatie van metalen structuren. Het gebruik van andere inkt ontwerpen, zoals die op basis van zijde fibroin, hydrogel en voortvluchtige organische inkten, hebben we gebouwd 3D steigers en microvasculaire netwerken voor tissue engineering en celculturen via direct-write assemblage 26-30. Kijken naar de toekomst, zijn er vele mogelijkheden en uitdagingen. Verdere vooruitgang vereisen nieuwe inkt ontwerpen, een betere modellering van inktstroom dynamiek, en een verbeterde robot-en controlesystemen. Groot oppervlak fabricage van 1D naar 3D-structuren met een hoge doorvoersnelheid en nanoschaal resolutie (&lt;100 nm) blijft een belangrijke uitdaging.

<table border="1"><tr><td> Naam van het reagens </td><td> Vennootschap </td><td> Catalogus nummer </td><td> Reacties </td></tr><tr><td> Poly (acrylzuur) </td><td> Polysciences, Inc </td><td> 06519 </td><td> mw 5000 g / mol </td></tr><tr><td> Poly (acrylzuur) </td><td> Polysciences, Inc </td><td> 00627 </td><td> mw 50.000 g / mol </td></tr><tr><td> Zilvernitraat </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 209139 </td><td> Zilver bron </td></tr><tr><td> Diethanolamine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> D8885 </td><td> Oplosmiddel / Reductiemiddel </td></tr><tr><td> Ethyleen glycol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 102466 </td><td> Bevochtigingsmiddel </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> Fisher Scientific </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> Centrifuge </td><td> Beckman Coulter </td><td> Avanti TM J-25 I </td><td> - </td></tr><tr><td> Robotic fase </td><td> Aerotech Inc </td><td> ABL 900010 </td><td> 3-assige motion </td></tr><tr><td>Spuit </td><td> EFD Inc </td><td> 5109LBP-B </td><td> 3 ml </td></tr><tr><td> Mondstuk </td><td> EFD Inc </td><td> - </td><td> id = 0,1 - 250 pm </td></tr><tr><td> Dispenser </td><td> EFD Inc </td><td> 800 </td><td> Pneumatisch </td></tr><tr><td> Ontwerpsoftware </td><td> Speciaal ontworpen </td><td> - </td><td> Mingjie Xu </td></tr></table>

vlakke en three-dimensional printing van geleidende inkten

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Gedrukte elektronica vertrouwen op low-cost, grote oppervlakte fabricage routes naar flexibele of multidimensionale elektronische, opto-elektronische en biomedische apparaten 1-3 te creëren. In dit artikel richten we ons op een-(1D), twee-(2D), en drie-dimensionale (3D) printen van geleidende metallic inkten in de vorm van flexibele, rekbare, en verspreid over micro-elektroden. Directe-write assemblage 4,5 is een 1-op-3D printing techniek die de fabricage van de functies, variërend van eenvoudige lijnen tot complexe structuren door de afzetting van geconcentreerde inkt door middel van fijne sproeiers (~ 0,1 tot 250 micrometer) mogelijk maakt. Deze drukkerij methode bestaat uit een computer-gestuurde 3-assige vertaling stadium een ​​inktreservoir en nozzle, en 10x telescopische lens voor visualisatie. In tegenstelling tot inkjet printen, een druppel-gebaseerd proces, directe-write assemblage betreft de extrusie van inkt filamenten hetzij in-of out-of-plane. De gedrukte filamenten doorgaans voldoen aan de nozzle grootte. Hence, kan microschaal functies (&lt;1 micrometer), een patroon en geassembleerd in grotere arrays en multidimensionale architecturen. In deze paper, we eerst synthetiseren een sterk geconcentreerde zilveren nanodeeltjes inkt voor planaire-en 3D-printen via direct-write montage. Vervolgens is een standaard protocol voor het afdrukken van micro-elektroden in multidimensionale motieven aangetoond. Tot slot, zijn toepassingen van gedrukte micro-elektroden voor het elektrisch kleine antennes, zonnecellen, en licht-emitterende diodes gemarkeerd.

Planar en drie-dimensionale printen van geleidende metallic inkten wordt beschreven. Onze aanpak biedt nieuwe mogelijkheden voor het vervaardigen van gedrukte elektronische, opto-elektronische en biomedische apparaten in ongewone lay-outs op de microschaal.

Vlakke en Three-Dimensional Printing van geleidende inkten

Geprinte elektronica maakt gebruik van kosteneffectieve fabricagemethoden voor grote oppervlakken om flexibele of multidimensionale elektronische, opto-elektronische en biomedische ...

Het doel van dit experiment is om het planaire en driedimensionale printen van geleidende micro-elektroden via direct right assembly te demonstreren. Direct right assembly is een depositietechniek die bestaat uit een computergestuurde drie-assige translatieslag, inkt, een spuitmond en een luchttoevoer. Bij deze printmethode worden sterk geconcentreerde inkten geëxtrudeerd door een fijne cilindrische spuitmond met diameters variërend van 0.1 tot 250 microns, vanwege de visco-elastische eigenschappen van de inkt.Directe schrijfactie maakt zelfondersteunende overspanningen mogelijk. Tot op heden is er een breed scala aan inkten ontwikkeld voor deze printbenadering, waaronder inkten bestaande uit keramische, organische metaalpolymeer- en sol-gelmaterialen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals de directe assemblage van complexe overspanningsstructuren, is dat het sneller is. Hoewel deze methode inzicht biedt in geleidende inkten voor elektronische en opto-elektronische toepassingen, kan ze ook worden toegepast op andere materiaalsystemen die gebruikt kunnen worden voor biomedische scaffolds en sensoren.Het visualiseren van deze procedure is cruciaal, aangezien de expertise op het gebied van radiologie van inkten en printen de kwaliteit van de geprinte structuren sterk heeft beïnvloed; deze procedure wordt gedemonstreerd door bhan, een postdoc, en Annalisa Russo, een PhD-student uit mijn laboratorium. Zilvernanodeeltjes-inkten worden bereid door eerst een mengsel van acrylzuur met een molecuulgewicht van 5.000 en 50.000 op te lossen in een mengsel van water en diethanolamine. Het polymeer fungeert als capping-middel om de grootte van de zilvernanodeeltjes te beheersen. Injecteer vervolgens een waterige zilvernitraatoplossing in de polymeeroplossing.Het mengsel wordt transparant lichtgeel; blijf 24 uur roeren bij kamertemperatuur. Na het roeren ontwikkelt de oplossing een roodbruine kleur. Dit is te wijten aan de vorming van zilvernanodeeltjes met een diameter van vijf nanometer, wat met TEM kan worden bevestigd om verdere deeltjesgroei te monitoren.Sonicate de oplossing gedurende twee uur in een waterbad van 65 °C. Breng de oplossing na sonificatie over in een bekerglas van 500 ml om deze af te koelen tot kamertemperatuur. Titreer, zodra de oplossing is afgekoeld, 300 ml ethanol in de oplossing. Omdat ethanol een slecht oplosmiddel is voor de capping-middelen, coaguleren en precipiteren de deeltjes snel. Decanteer nu de supernatant en verzamel het precipitaat in een centrifugebuis. Centrifugeer het precipitaat bij 9.000 RPM gedurende 20 minuten.Het resultaat is een zeer geconcentreerde zilver-nanodeeltjesinkt met ongeveer 85% vaste bestanddelen per gewicht. Voor verdere controle over de viscositeit en de elastische modulus van de inkt wordt de inkt verdund in een bevochtigingsvloeistof zoals ethyleenglycol, waarna de oplossing drie minuten lang wordt gehomogeniseerd bij 2000 RPM met een Thinky homogenisatiemixer. Dit verdunnings- en homogenisatieproces resulteert in een uniforme blauwachtige tot magenta inkt.De TEM-afbeelding toont zilvernanodeeltjes verkregen via deze syntheseprocedure. De deeltjes hebben een gemiddelde diameter van 20 nanometers met een grootteverdeling van vijf tot 15 nanometers. Geprinte structuren vereisen sinteren om hun geleidbaarheid te verbeteren.Na een annealing bij 250 °C gedurende minder dan 30 minuten vormen de zilvernanodeeltjes geleidende micro-elektroden met een elektrische resistiviteit die 10⁻⁵ Ω cm nadert. De microstructurele evolutie van de geprinte zilveren micro-elektroden als functie van de annealingstemperatuur wordt gemeten met SEM. Terwijl de temperatuur stijgt van 150 °C naar 550 °C, ondergaan de micro-elektroden densificatie met een totale volumetrische krimp van ongeveer 30%. De ink-ologie, die sterk afhangt van de vaste stofbelading, bepaalt de printbaarheid.De inktviscositeit neemt toe bij een toenemende vaste stofbelading, omdat verdunning met een lage viscositeit resulteert in een aanzienlijke laterale verspreiding van geconcentreerde inkten. Voor het printen van planaire en overspannen inktdraden is een vaste stofbelading van 70 tot 85 gewichtsprocent vereist. De elastische modulus van de inkt neemt toe bij een toenemende vaste stofbelading in het lineaire visco-elastische gebied.De elastische modulus stijgt met bijna drie grootteordes naarmate de vaste stofbelading toeneemt van 60 naar 75 gewichtsprocent. Een minimale elastische modulus van 2000 pascals is vereist om zelfondersteunende of overspannende structuren te produceren.Om te beginnen met de directe assemblage, vult u het spuitvat met de inkt. Nadat u een depositie-nozzle heeft bevestigd, monteert u het gevulde spuitvat op de driassige printtafel. Gebruik een computerprogramma om het gewenste ontwerp te genereren, wat een lineaire vlakke of een complexe driedimensionale structuur kan zijn.Vervolgens wordt de hoogte van de spuitmond ingesteld met behulp van een telescooplens met een 10-voudige zoom. Nadat er druk is uitgeoefend met een pneumatisch vloeistofdoseersysteem, wordt de inkt bij kamertemperatuur op het substraat aangebracht met een gecontroleerde printsnelheid en -druk. Deze variabelen zijn afhankelijk van de inkt, de viscositeit, de diameter van de spuitmond en de printsnelheid.Een nozzle van vijf micron kan geleidende zilveren roosters printen met een hart-op-hart afstand tussen de lijnen van 100 micron op een substraat van een siliciumwafer. Met een nozzle van 30 micron en laag-voor-laag printen kan een cilindrische structuur met een hoge aspectratio worden gemaakt. Omnidirectioneel printen van zilveren microelektroden tussen twee glassubstraten is mogelijk met een nozzle van 30 micron.De glazen substraten zijn met één millimeter verschoven; volledig vrijstaande, verticaal geprinte zilveren microspikes kunnen worden gemaakt met een nozzle van 30 micron op een substraat van een siliciumwafer. Het direct schrijven van overbruggende zilveren microelektroden met een nozzle van 10 micron is ook mogelijk. De geprinte structuren kunnen afstanden tot één centimeter overbruggen met minimale doorbuiging of knikvorming.Hooggeconcentreerde zilver-nanodeeltjesinkt werd geprint als geleidende structuren in planaire en 3D-motieven voor elektronische en opto-elektronische toepassingen. De printresolutie lag tussen de twee en 30 microns. Met een nozzle van één micron en een nozzlepatroon van vijf micron werd in een enkele passage een minimale elektrodesbreedte van ongeveer twee microns en een dikte van 1,4 microns bereikt.Transparante geleidende zilveren roosters op een flexibele polyamidefilm. De tekst onder het rooster bleef duidelijk zichtbaar. Deze metalen roosters kunnen dienen als alternatieven met een hoge geleidbaarheid voor transparante geleidende oxidematerialen.Conforme print van een 3D elektrisch kleine antenne was mogelijk met een metalen nozzle-meander van 100 micron. Lijnpatronen werden geprint op het oppervlak van een glazen hemisfeer. Deze aanpak kan verschillende toepassingen vinden, waaronder implanteerbare en draagbare antennes, elektronica en sensoren; toepassingen van overspannende zilveren micro-elektroden in driedimensionale fotovoltaïsche cellen en lichtemitterende diodes zijn eveneens mogelijk.Een fragiele bolvormige siliciumschil met een dikte van twee micron werd via wire bonding verbonden met een extern circuit door middel van omnidirectioneel printen. Deze methode maakt gebruik van minimale contactdruk, wat zeer voordelig is voor delicate apparaten. Daarnaast werd een overspannende interconnect geprint voor een array van silicium zonne-microcellen, waarbij de silicium micro-lintelementen gescheiden zijn door een gap van 33 micron.Er werden zilveren onderlinge verbindingen geprint voor een LED-array op basis van galliumarsenide met vier bij vier pixels. De LED-array straalde uniform rood licht uit bij een aangelegde spanning van zes volt vanaf een enkele pixel. De mogelijkheid om overspannende elektroden te printen maakte meerlaagse verbindingen mogelijk zonder het gebruik van ondersteunende of opofferingslagen.Als laatste demonstratie wordt een complex 3D micro-periodiek zilverrooster geprint door een nozzle van vijf micron met behulp van een laag-voor-laag printvolgorde. Zodra deze techniek onder de knie is, kan dit in een paar uur worden voltooid mits correct uitgevoerd. Met deze procedure hebben we de printsynthese van inkten voor 1D tot 3D-structuren en toepassingen gedemonstreerd, waaronder geprinte elektroden voor elektronische en opto-elektronische apparaten.Het lopende werk in ons laboratorium is nu gericht op het uitbreiden van deze benadering naar biomedische toepassingen met behulp van biocompatibele inkten. We printen driedimensionale scaffolds en microvasculaire netwerken voor tissue engineering en celkweek. Na het bekijken van deze video hopen we dat u een beter begrip heeft van onze direct right assembly-techniek.

planar-and-three-dimensional-printing-of-conductive-inks

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Een beschrijving van de methoden die worden gebruikt om een ​​HP DeskJet 500-printer te zetten in een bioprinter. De printer kan verwerken levende cellen die transient poriën veroorzaakt in het membraan. Deze poriën kan worden gebruikt om kleine moleculen zoals fluorescerende G-actine nemen in de gedrukte cellen.

Het creëren van voorbijgaande celmembraan poriën met een standaard inkjetprinter

De in dit document beschreven methoden zien hoe je een commerciële inkjet printer omzetten in een bioprinter met gelijktijdige UV-polymerisatie. De printer is geschikt voor het construeren van 3D-weefselstructuur met cellen en biomaterialen. De studie hier toonde construeerde een 3D neocartilage.

Human kraakbeenweefsel Fabrication behulp van drie-dimensionale Inkjet Printing Technology

Dit artikel introduceert een 3D additief micromanufacturing strategie (zogenaamde "micro-metselwerk ') voor de flexibele productie van micro-elektromechanische systeem (MEMS) structuren en apparaten. Deze benadering houdt in transfer-printing gebaseerd assemblage van micro / nanoschaal materialen in combinatie met een snelle thermische-gloeien ingeschakeld materiaal verbindingstechnieken.

Micro-metselwerk voor 3D Additive micromanufacturing

Een Cartesische bioprinter werd ontworpen en gemaakt om multi-materiaal depositie in nauwkeurige, reproduceerbare geometrieën mogelijk te maken, terwijl ook controle van omgevingsfactoren wordt toegestaan. Met behulp van de driedimensionale bioprinter kunnen complexe en levensvatbare constructies worden afgedrukt en gemakkelijk worden gereproduceerd.

Levensvatbaarheid van Bioprinted Cellular constructen met behulp van een drie Dispenser cartesiaanse Printer

Dit artikel onderzoekt de geschiktheid van inkjetprinten voor de productie van kleurling gevoelige zonnepanelen. Een bindmiddelvrije TiO2 nanodeeltjesinkt werd geformuleerd en op een FTO-glassubstraat geprint. De gedrukte laag werd vervaardigd tot een cel met een actieve oppervlakte van 0,25 cm2 en een efficiëntie van 3,5%.

Digital Printing titaandioxide voor kleurstof zonnecellen

Dit protocol beschrijft een bioprinting-methodologie met behulp van een geautomatiseerd robotsysteem voor het afzetten dat geëtste topografische geleidingssignalen combineert met de nauwkeurige afzetting van een hydrogel bio-inkt dat cellen bevat. De gedrukte cellen worden direct afgeleverd bij de geëtste kenmerken en kunnen deze waarnemen en er zich op oriënteren.

Geautomatiseerde Robotic Dispensing Techniek voor Surface Oriëntatie- en Bioprinting van Cellen

Hier presenteren we een protocol voor de productie van hoge-resolutie geleidende patronen, gemaakt van electrohydrodynamic (EHD) jet afdrukken. Het protocol bevat twee modi van EHD jet afdrukken: het continu in de buurt van-veld-electrospinning (NFES) en de dot-gebaseerde drop-on-demand (DOD) EHD afdrukken.

Hoge resolutie elementen met behulp van twee modi van Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand en in de buurt van-veld Electrospinning

Hier presenteren we een protocol voor de fabrikatie van inkjet-gedrukte gelaagde sensor structuren op additief vervaardigde substraten en folie.

Hybride afdrukken voor de fabrikatie van slimme sensoren

Een protocol voor de synthese van anorganische-lood-halogenide hybride perovskiet quantum dot inkt voor inkjet afdrukken en het protocol voor het voorbereiden en het afdrukken van de quantum dot inkten in een inkjetprinter met post karakterisering technieken worden gepresenteerd.

Inkjet printen van alle anorganische halogenide perovskiet inkten voor fotovoltaïsche toepassingen

Twee recente technologieën - tatoeage en textiel - hebben veelbelovende resultaten laten zien in cutane sensing. Hier presenteren we de fabricage- en evaluatiemethoden van tatoeage- en textielelektroden voor cutane elektrofysiologische detectie. Deze elektronische interfaces van geleidende polymeren presteren beter dan de bestaande normen op het gebied van comfort en gevoeligheid.

Conforme draagbare elektroden: van fabricage tot elektrofysiologische beoordeling

Dit artikel biedt een techniek voor het vervaardigen van op chips gebaseerde supercondensatoren met behulp van een inkjetprinter. Methodologieën worden in detail beschreven om inkten te synthetiseren, softwareparameters aan te passen en de elektrochemische resultaten van de gefabriceerde supercondensator te analyseren.

Uitgebreide controle van inkjetprinter voor fabricage van chipgebaseerde supercondensatoren

Leer vlakke en driedimensionale printtechnieken voor geleidende micro-elektroden met directe schrijf-assemblage. Deze methode maakt complexe structuren voor elektronische en biomedische toepassingen.

Vlakke en Three-Dimensional Printing van geleidende inkten

Meer video's verkennen